[发明专利]基于声子晶体的微流控结构、微流控器件及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及微机电系统、微声学和微流控技术领域，特别是涉及一种基于声子晶体的微流控结构、微流控器件及其制作方法。

背景技术

微流控技术是把生物、化学、医学分析过程中的样品制备、分离、反应、检测等基本操作集成到单一的微米尺度芯片上，自动完成分析过程的检测技术。因为具有实时分析，对样品量需求较少，以及易于大规模制造的特点，微流控技术在生物、化学、医学等领域有着巨大的应用潜力。

微流控技术在20世纪90年代由瑞士的Manz和Widmer提出。到目前为止，已经发展出了包括电泳、压力、离心力等多种用于微流控技术的微流体(主要是微液滴)驱动方法。这些方法各自具有一定的优缺点。例如，对于电泳驱动方式来讲，其需要利用微液滴中离子的分布来对微液滴进行驱动，所以该驱动方式对于离子含量具有强烈的依赖性。对于压力驱动方式来讲，其需要一个外置的微泵在微通道内形成较大的压力差以驱动微液滴，设备的整体体积较大，无法进行集成。而对于离心力驱动方式，则需要微流控芯片的高速旋转，并且其所能实现的操控方式非常有限。

在最近的几十年间，声表波器件成功的被应用到很多领域，包括射频通信、化学以及生物监测、和光学调制。最近的几年中，声表波器件又引起了微流控研究人员的注意。声表波驱动微流体的原理是基于器件基板和液体之间声学不匹配所导致的声学能量传播。与其他驱动方式相比，声表波驱动方式有着相对较大的驱动力、操作迅速以及电极网络简单等特点。另外，平面光刻加工工艺也使声表波器件的制造具有低成本，大批量的特点。微米级的声表波集成器件将会是对于微流体集成小型化的一个绝佳选择。

声表面波微流控芯片工作的声场形态，由叉指换能器的几何参数及排布位置决定。当叉指换能器制备完成后，其声场形态被固定，这就限制了声表面波微流控芯片的微操控能力。另外，声学波传输过程中常伴有声学波畸变，尤其是在流固耦合等复杂环境中应用的声学器件。由于声学波畸变改变了实际声场形态，因此固液之间声学能量的耦合也会降低声学器件性能，并阻碍声学器件可以实现的微流体操作方式。比如，对于声表面波微流控的微液滴雾化操纵，由于耦合过程中声表面波无法控制，声表面波驱动频率和微液滴雾化频率并不相同，两者存在数量级上的差别，而这种现象在理论上还未能解释。此外，对于生物和医学等复杂应用环境，声学波在传输过程中的损耗和声学波从芯片表面耦合到被操控物的声场形态都无法预测，这也降低了声表面波微流控芯片的工作效率。因此，亟需一种能够改善上述问题的声表面波微流控结构。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于声子晶体的微流控结构、微流控器件及其制作方法，用于解决现有声表波微流体驱动技术中声学场无法进行控制、声学波畸变、能量耦合及利用效率低等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于声子晶体的微流控结构，用于通过声学波对微流体进行操控，其中，所述基于声子晶体的微流控结构至少包括：声子晶体；所述声子晶体至少包括：固体基板，以及设于所述固体基板上的声学波散射结构和声学波控制区域；所述声学波控制区域适于通过设置所述声学波散射结构的形态和分布，来控制所述声学波在所述固体基板表面的传输和分布，以使所述微流体在所述声学波控制区域受到所述声学波的操控。

优选地，所述声学波控制区域具有在所述固体基板上形成的使所述声学波散射结构改变形态或者缺失分布的缺陷结构，所述缺陷结构包括点缺陷、线缺陷、面缺陷中的一种或几种。

优选地，所述声学波散射结构按照晶格结构分布在所述固体基板上。

优选地，所述声子晶体为四角晶格硅-空气声子晶体，所述固体基板为硅基板，所述声学波散射结构为空气柱，所述空气柱按照四角晶格结构分布在所述硅基板上。

优选地，所述声子晶体为蜂巢晶格硅-空气声子晶体，所述固体基板为硅基板，所述声学波散射结构为空气柱，所述空气柱按照六角晶格结构分布在所述硅基板上。

本发明还提供一种微流控器件，其中，所述微流控器件至少包括：基底，位于所述基座上方的如上所述的基于声子晶体的微流控结构，以及设于所述固体基板上的用以向所述固体基板表面提供声学波的声学波激励装置；所述基底具有凹槽，所述固体基板与所述凹槽形成空腔，且所述固体基板至少在位于所述空腔上方处分布有所述声学波散射结构。

优选地，所述声学波控制区域至少包括：沿平行于所述声学波传输方向形成的具有线缺陷结构的微流道。

优选地，所述声学波控制区域还包括：设于所述微流道入口端的具有锥形结构的声学聚焦通道。